Меню

Формула для оптической мощности

Измерение оптической мощности, затухания и вносимых потерь

Измерение оптической мощности, затухания и вносимых потерь

Измерение оптической мощности

Измерение оптической мощности является метрологической основой волоконной оптики, а измерительный преобразователь оптической мощности в той или иной форме используется практически в каждом средстве измерения параметров световой волны.

Различают измерение абсолютной и относительной мощности: первое – используется для определения характеристик источников и приемников оптического излучения, а второе – для измерения его ослабления, усиления, возвратных и вносимых потерь. Например, измерение абсолютной мощности оптического передатчика или чувствительности оптического усилителя (ОУ), позволяет определить запас мощности, а измерение относительной мощности позволяет установить потери ОВ, коэффициента усиления ОУ и другие.

Оптическая мощность обычно определяется на основе измерений электрической мощности, так как последняя может быть точно определена по току и напряжению. Большинство лабораторий национальных стандартов, таких, как NIST (США), PTB (Германия) и NPL (Великобритания), детально исследуют этот вопрос.

Можно выделить две основные группы измерителей оптической мощности:

  • измерители мощности с термофотодиодами (ТФД), основанные на измерении повышения температуры, вызванного оптическим излучением,
  • измерители мощности с фотодиодами (ФД), основанные на использовании фотонов оптического излучения, генерирующих связанные пары: электрон-дырка.

Хотя измерители мощности на ФД имеют небольшой диапазон рабочих длин волн, а также нуждаются в абсолютной калибровке, они используются чаще вследствие своей высокой чувствительности. Измерители мощности на ТФД предпочтительнее использовать в метрологических лабораториях ввиду их высокой стабильности и независимости показаний от длины волны оптического излучения в широком динамическом диапазоне. Кроме этого, сами ТФД могут быть непосредственно проверены при помощи измерений электрической мощности. Характеристики этих типов измерителей мощности приведены в табл. 1-1.

Характеристики Измерители мощности с ТFD Измерители мощности с FD
Зависимость от l Диапазон длин волн не зависят от УФ до ИК зависят 2:1
Калибровка возможна самокалибровка необходима
Чувствительность низкая (порядка 1 мкВт) высокая (менее 1 мкВт)
Точность ±1% ±2%

Измерители мощности с термофотодиодами

Известны различные принципы измерения оптической мощности с помощью ТФД, наиболее распространенный из них основан на радиометрическом методе замещения, являющемся в общем случае методом автокалибровки. Согласно этому методу измеритель мощности сначала подвергается воздействию оптического излучения, а затем излучение отсекается (при помощи шторки или прерывателя) и заменяется электрическим источником, мощность которого контролируется так, чтобы поддерживать постоянную температуру. Так как электрическая мощность может быть измерена с высокой точностью, то обеспечивается высокая точность данного метода измерения оптической мощности.

В этом методе поглощающий слой, например, поверхность, покрытую черной краской, сначала облучают падающим светом, а затем нагревают его резистором, имеющим контакт с поглощающим слоем. Одна сторона резистора имеет изолированный слой серебра, покрытого черной краской для уравнивания колебаний температуры. Температура измеряется при помощи термобатареи (последовательно соединенных термоэлементов, расположенных в непосредственной близости от серебряной пластины), вырабатывающей напряжение, пропорциональное разности температур между поглощающим слоем и поверхностью с достаточно большой тепловой массой. Нелинейность метода не рассматривается, так как основой является достижение равенства температур для двух типов возбуждения. Необходимо, однако, обеспечить следующее:

1. Необходимую площадь поверхности с большой тепловой массой для поддержания постоянной температуры во время измерения;

2. Блокирование фонового и рассеянного светового излучения;

3. Оптимизацию теплового потока между поглощающим слоем и нагревателем;

4. Высокую поглощающую способность поверхности;

5. Точное измерение электрической мощности.

Другая реализация данного метода основана на том, что вместо последовательного оптического и электрического воздействия, ТФД непрерывно электрически нагревается, потребляя мощность несколько большую оптической мощности, которую предстоит измерить, при этом фиксируется напряжение на ТФД. Затем он подвергается оптическому воздействию, а электрическая мощность уменьшается посредством обратной связи до тех пор, пока напряжение на ТФД не станет таким же, как и прежде. Результат измерения оптической мощности представляет собой разницу значений электрической мощности в этих двух процедурах (в измерении напряжения на ТФД нет необходимости).

Наибольшая трудность при использовании ТФД заключается в их низкой чувствительности и большой продолжительности измерения (постоянная времени от нескольких секунд до нескольких минут в зависимости от размера ТФД). Лучшие результаты возможны при использовании термочувствительных элементов, выполненных на полупроводниковых материалах. Такие характеристики позволяют использовать тепловые измерители мощности для проведения калибровки, для других измерений в волоконно-оптической технике они используются довольно редко.

Читайте также:  Модели нагрузок постоянной мощности

Особым типом теплового измерителя мощности является криогенный радиометр, представляющий собой ТФД, помещенный в вакуум и охлажденный жидким гелием до 6° К. Криогенные радиометры являются наиболее точными измерителями мощности благодаря тому, что:

  • при 6° К энергия, необходимая для увеличения температуры на 1° К, значительно снижается, что уменьшает постоянную времени и, следовательно, время измерения;
  • тепловые потери от излучения существенно уменьшаются (энергия излучения пропорциональна T4);
  • тепловое излучение соединительных проводов резистора, может устранить, сделав их сверхпроводящими;
  • потери от тепловой конвекции устраняются путем эксплуатации ТФД в вакууме.

На практике криогенные радиометры при измерении мощности позволяют достичь погрешности, равной ±0,01%, однако вследствие высокой стоимости оборудования и сложности его эксплуатации они обычно используются только в национальных калибровочных лабораториях.

Чувствительность германиевого ФД имеет относительно небольшую температурную зависимость для большей части диапазона длин волн, в то время как выше 1550 нм, наблюдается значительная температурная зависимость. Ее можно описать, как смещение верхней критической длины волны с коэффициентом приблизительно 1 нм/К. Примерно такое же смещение можно наблюдать в InGaAs ФД в районе 1650 нм. По этой причине измерители мощности с термостабилизированными фотодиодами имеют лучшую воспроизводимость результатов измерений.

Измерение вносимых потерь

Вносимые потери представляют собой оптическое затухание, вызванное вводом оптического элемента в оптическую систему. Эти потери непосредственно влияют на энергетический бюджет ВОСП. Одним из видов вносимых потерь, с которым мы уже сталкивались, – затухание ОВ. Другими, не менее важными, являются вносимые потери таких оптических элементов, как коннекторы, аттенюаторы, фильтры, ответвители и мультиплексоры. Следует отметить, что принципы, положенные в основу данного вида измерений, могут быть использованы и для измерений возвратных потерь.

Во многих случаях мало устранить влияние PDL, необходимо рассматривать данный параметр как самостоятельную характеристику, проводя измерение PDL в дополнение к измерениям вносимых потерь. Двумя наиболее распространенными методами измерения PDL являются сканирование поляризации и метод Мюллера, хотя возможны и другие методы измерений.

Этот метод основан на анализе четырех состояний поляризации с измерением передачи оптической мощности через ТЭ только в этих состояниях и последующим расчетом PDL из результатов этих измерений. Измерение PDL методом Мюллера аналогично предыдущей схеме измерения, однако контроллер поляризации в ней выполнен на основе волновых пластин, используя в частности, для синтеза различных состояний поляризации четвертьволновую (Q) и полуволновую (H) пластины. Кроме этого, для обеспечения необходимой ориентации поляризованного сигнала данная схема дополняется поляризатором (P), который устанавливается на входе контроллера.

Источник

Измерение оптической мощности в FTTx и PON

Оптическая мощность, или мощность оптического излучения – это основополагающий параметр оптического сигнала. Она выражается в Ваттах (Вт), милливаттах (мВт), микроваттах (мкВт). А также логарифмических единицах – дБм.

Для измерения уровня оптической мощности используются специальные измерительные приборы – измерители оптической мощности. Методика измерений мощности в классических оптических сетях (построенных по топологии “точка-точка”) и сетях PON существенно отличаются, что приводит к применению различных по принципу действия измерительных приборов.

Измерение мощности в сетях FTTx

Для измерения уровня мощности сигнала в таких сетях применяются стандартные измерители мощности с одним входом. Для того чтобы провести измерение, необходимо:

  1. подключить к измерителю оптическую линию (перед подключением рекомендуется провести чистку патч корда и адаптера прибора при помощи специальных приспособлений)
  2. включить измеритель мощности
  3. в меню прибора выбрать длину волны, на которой будем проводить измерения
  4. считать показания прибора. Чаще всего результаты измерения отображаются в дБм, но некоторые измерители позволяют выводить данные и в мВт или мкВт.
Читайте также:  Тарифы при осаго мощность двигателя

Рисунок 1 – подключение прибора при измерении мощности в сетях FTTx

Измерение оптической мощности в PON сети

В связи с тем, что в PON сети от оператора к абонентам передается одновременно информация на двух длинах волн (1490 нм и 1550 нм), то измерить мощность сигнала на каждой из них возможно только по очереди и с применением дополнительных фильтров, что не всегда удобно. Кроме того, обратный канал (от абонентов к оператору) построен по принципу временного разделения каналов и оборудование каждого из абонентов работает только малую часть времени. (Принцип передачи информации в PON сети описано подробно в статье). В результате, если попытаться измерить мощность, передаваемую от абонента к оператору PON сети, при помощи стандартного измерителя (как на рис 1), то получим значение, указанное в столбце Std PM таблицы на рисунке 2

Рисунок 2 – сравнение результатов измерений оптической мощности на длине волны 1310 нм в PON сети при помощи стандартного и специализированного измерителей мощности

Обратите внимание на различия в результатах измерения стандартным и специализированным измерителем. Ошибка измерений стандартного измерителя вызвана тем, что он выдает среднее значение мощности за период измерений, вместе с тем как специализированный прибор измеряет мощность только в момент, когда абонентское оборудование активно и идет передача информации.

Специализированный измеритель мощности в PON сетях включается в разрыв, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3 – способ подключения измерителя мощности PON

В отличии от стандартного измерителя, измеритель PON отображает одновременно уровни всех проходящих через него сигналов: на длине волны 1310 нм; 1490 нм; 1550 нм. Вместе с тем, многие измерители PON имеют также возможность установки пороговых значений, в результате чего тестер кроме числового значения будет делать вывод в виде “ПРОШЕЛ/НЕ ПРОШЕЛ”.

Рисунок 4 – результаты измерений измерителя мощности PON

Поэтому, при проведении измерения мощности сигналов в PON сети рекомендуется:

  1. предварительно установить пороговые значения уровней
  2. включить измеритель мощности
  3. подключить его в разрыв со стороны абонента, как показано на рисунке 2. П еред подключением рекомендуется провести чистку патч корда и адаптера прибора при помощи специальных приспособлений.
  4. считать или занести в память результаты измерений. Как и в предыдущем случае, основной единицей измерения уровня мощности является дБм.

Вебинар на тему “Методики измерения параметров ВОЛС”

Источник



9
Тестирование волоконно-оптических систем

Введение

После установки волоконно-оптической системы крайне важно тщательно ее протестировать, чтобы убедиться в соответствии техническим требованиям проекта. Тестирование волоконно-оптической системы как во время установки, так и при вводе системы в эксплуатацию является обязательной частью проекта. Проводимые приемочные испытания определят, является ли окончательно установленный кабель цельным и стабильным, были ли причинены какие-нибудь повреждения при установке кабеля, правильны ли вычисленные на этапе проектирования значения потерь соединений, коннекторов, длины волокна и т. д. и работает ли окончательно установленная система с должной производительностью..

Если система была тщательно спроектирована, а затем правильно установлена, результаты приемочного теста обычно показывают лучшие значения производительности, чем проектные параметры (в предположении, что придерживались консервативного подхода к проектированию). В редких случаях связь будет хуже, чем проектировалась. Это может быть из-за неожиданных потерь вследствие избыточных изгибов. В течение срока службы показатели линии связи также будут ухудшаться, что должно быть принято в расчет при проектировании. Во время приемочных испытаний будет также подтвержден учитываемый для этих непредвиденных потерь запас надежности.

Данная глава рассматривает требования к тестированию волоконно-оптических кабелей и передающего и приемного оптического оборудования. В первой части главы изучаются фундаментальные понятия, характерные для оптических измерений. Во второй части подробно исследуются основные волоконно-оптические тесты и оборудование. В заключение обсуждается ряд других, менее распространенных тестов, связанных с характеристиками окончательно установленных систем.

9.1. Фундаментальные понятия оптических измерений

9.1.1. Оптическая мощность

Основной единицей измерения, используемой в волоконной оптике, является мощность света. Как и электрическая мощность, оптическая мощность измеряется в ваттах.

Читайте также:  Какие бывают регуляторы мощности

Свойства света похожи на электрические. Световая энергия, как и электрическая энергия, теоретически принимает форму синусоидальных волн. Поэтому основные компоненты математических формул, использующихся для вычисления связанных с мощностью электрических измерений, могут также использоваться для вычисления связанных с мощностью оптических измерений.

К оптическим измерениям применяются следующие аналогии.

• Мощность является мерой скорости передачи энергии (где энергия Q измеряется в Джоулях). То есть:

• Мощность является функцией напряжения (U) и тока (I). У световой волны есть электрический компонент и магнитный компонент, что аналогично компонентам напряжения и тока в электрической энергии. Поэтому для электрической энергии:

для световой энергии:

где D- электрическое смещение; В — магнитная индукция; Е — напряженность электрического поля; Н — напряженность магнитного поля; ε — диэлектрическая проницаемость среды; μ -магнитная проницаемость среды; S — плотность энергии (ватт/квадратный метр).

• Световая энергия прямо пропорциональна квадрату амплитуды электромагнитной волны. Мощность электрической энергии прямо пропорциональна квадрату амплитуды напряжения или тока.

В случае световой энергии сопротивление фактически является проницаемостью стекла. Для света общая энергия Q вычисляется по формуле

где Qp — энергия одного фотона; N- число фотонов.

Мощность света обычно измеряется и указывается в децибелах. Обсуждение в разделе 2.3, касающееся измерения в децибелах, относится также к оптическим измерениям.

Оптический передатчик передает сигнал в форме импульсов. Уровень мощности передаваемого сигнала постоянно меняется. Можно измерить мгновенное пиковое значение или среднее значение этой мощности. Это показано на рис. 9.1.

Рис.9.1. Мощность полученного сигнала

Мощность также прямо пропорциональна частоте и обратно пропорциональна длине электромагнитной волны (С = λ х f). Теоретически свет представляется в форме крошечных частиц, называемых фотонами, которые излучаются атомами при переходах электронов между энергетическими уровнями, окружающими атомы. С возрастанием частоты (то есть снижением длины волны) пропорционально увеличивается энергия фотона. o Фактически это означает, что для возбуждения электрона для излучения фотона с высокой частотой необходимо больше энергии, чем для излучения фотона с низкой частотой. Следовательно, поскольку измерение оптической энергии есть мера потока фотонов в единицу времени, оптическая мощность прямо пропорциональна частоте и обратно тропорциональна длине волны. Эта зависимость описывается законом Планка:

Где Q — энергия фотона, a h — постоянная Планка.

9.1.2. Измерение мощности

Различные материалы, использующиеся при производстве детекторов света, чувствительны к различным длинам волн. Например, кремниевые детекторы интенсивно отвечают на сигналы 850 нм, тогда как детекторы из арсенида индия и галлия (InGaAs) дают сильные ответы на сигналы 1300 и 1550 нм. Поэтому детекторы света, используемые для целей измерений, должны быть откалиброваны для той частоты, которую они измеряют.

Детекторы обеспечивают линейный ответ лишь в ограниченном динамическом диапазоне уровня входного сигнала. Поэтому они должны быть откалиброваны для определенного применения и ожидающегося на входе в детектор из волоконно-оптического кабеля диапазона мощностей.

Время ответа детектора в экспонометре очень большое по сравнению со скоростью входных импульсов. Поэтому большинство экспонометров калибруется для измерения средней мощности.

9.1.3. Оптическая и электрическая полоса пропускания

Полоса пропускания определяется в двух разновидностях, оптической и электрической. Оптической полосой пропускания называют наивысшую частоту модуляции, при которой мощность оптической системы снижается на 3 дБ по сравнению с оптической мощностью на более низкой частоте. Из-за процесса преобразования в оптическом детекторе световой энергии в электрическую снижение оптической мощности на 3 дБ дает снижение электрической мощности на 6 дБ. При измерении электрической полосы пропускания используются те же правила, что и для оптической; электрическая полоса пропускания определяется снижением мощности на 3 дБ. Поэтому при необходимости измерения оптической полосы пропускания нужно помнить, что детектор покажет снижение электрической мощности на-6 дБ. Оборудование измерения мощности компенсирует это и покажет правильное значение оптической мощности. Процесс измерения оптической полосы пропускания обсуждается в разделе 9.3.3.

Источник